近日，西安交通大学建筑节能研究中心，徐晗副教授团队在国际期刊《Energy Conversion and Management》（JCR Q1，IF=9.9）上发表论文，题目为“Design and optimization of solar-driven reversible solid oxide cell-based polygeneration system for residential buildings”。文章提出了一种太阳能驱动的可逆固体氧化物电池多联产系统，旨在解决目前能源系统碳排放大和效率低等问题、以及由能量供需不匹配引起的弃电现象，可为建筑多联产系统设计与优化提供理论依据和参考。硕士研究生王函墨为论文第一作者，徐晗副教授为论文通讯作者。

研究背景

太阳能驱动的多联产系统具有显著减少碳排放、提高能源利用效率的潜力。然而，太阳能出力不稳的特性和建筑能源需求的波动性，导致能量供需匹配具有双重不确定性。可逆固体氧化物电池（Reversible Solid Oxide Cell, rSOC）可以在太阳能充裕时以固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolyte Cell, SOEC）模式运行将电能转化为氢能存储，在太阳能不足时以固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）模式运行将储存的氢能转化为电能和热能，有效解决供需不匹配问题。

主要内容

本文设计了一种耦合RSOC发电（SOFC模式）/储电（SOEC模式）和太阳能光伏/光热技术的建筑分布式热电氢联供系统。依据建筑负荷特性与太阳辐射强度实时变化规律提出了三种系统运行模式：SOFC模式（发电）、PV（光伏）-SOFC-PTC模式（发电）和PV-SOEC-PTC（光热）模式（储电）。考虑全年供需波动性，基于系统全年能效和经济性要求，采用遗传算法优化的系统关键供能设备容量，所提出的设计优化方法能够有效提升能源利用效率，降低系统成本。同时，系统被证明可以完全依靠太阳能自给自足，无需依赖电网和辅助供电设备，可以实现太阳能的跨季节存储转移、实现全年氢平衡。

论文总结

基于太阳能和rSOC的多联产系统是一种节能环保的建筑能源供应系统，其主要挑战是太阳能供应和建筑能源需求的匹配，而以往考虑能源供需匹配的研究相对有限，并且不能够完全依靠太阳能实现电力自给，依赖于电网和其他电力存储设备，导致系统成本的增加以及系统配置和运行策略的复杂性。在这项研究中，设计了一种完全由太阳能驱动的电力自给自足的rSOC建筑多联产系统。论文提出了系统实现逐时电量供需匹配的三种运行模式：PV - SOEC - PTC、PV - SOFC和SOFC。进一步，以系统能量转换效率最大和成本最小为目标，建立了考虑逐时供需匹配和系统全年运行特性的关键供能设备容量配置优化方法。优化后的系统全年多联产效率为68.61 %，总成本率为0.7782 USD / h。相比于之前简单将光伏容量最大化以满足峰值需求的方法，效率提高2.57 %，成本降低46.1 %。此外，在四个典型日中系统的制氢、发电和多联效率分别稳定在89.00 % ~ 99.70 %、50.15 % ~ 73.46 %和34.68 % ~ 88.64 %之间。在春季、夏季和秋季，PV - SOEC - PTC模式积累了454 kg氢气，可以有效弥补冬季235 kg氢气短缺，从而完全实现了电力自给自足。

Hanmo Wang, Han Xu*. Design and optimization of solar-driven reversible solid oxide cell-based polygeneration system for residential buildings[J]. Energy Conversion and Management, 2025, 323: 119279. DOI:10.1016/j.enconman.2024.119279.

文字：王函墨 徐晗

图片：王函墨 徐晗